Đồ Án Tốt Nghiệp Thủy Lợi Thiết Kế Hồ Chứa Nước Hao Hao

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang Ngành Công trình MỤC LỤC PHẦN II:THIẾT KẾ SƠ BỘ CÁC PHƯƠNG ÁN CÔNG TRÌNH 25 CHƯƠNG V : TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ 25 5.1 Mục đích phương pháp tính 25 9.1 Tính toán điều tiết lũ phương án chọn 57 9.6 Tính toán thấm qua đập 72 9.7 Tính toán ổn định đập đất 88 CHƯƠNG 10 : THIẾT KẾ TRÀN XẢ LŨ 97 10.1 Vị trí, hình thức phận đường tràn 97 10.2 Tính toán thuỷ lực trà xả lũ 98 10.7 Tính toán ổn định kết cấu cỏc phận tràn 111 CHƯƠNG 11 : THIẾT KẾ CỐNG LẤY NƯỚC 116 11.1 Những vấn đề chung 116 11.2 Thiết kế kênh hạ lưu cống 118 11.3 Tính toán thuỷ lực cống 121 11.4 Kiểm tra trạng thái chảy tính toán tiêu 131 11.5 Chọn cấu tạo chi tiết cống 142 PHẦN 146 CHUYÊN ĐỀ KỸ THUẬT 146 CHƯƠNG 12 : TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỐNG NGẦM 146 12.1 Mục đích trường hợp tính toán 146 12.2 Tài liệu yêu cầu thiết kế 146 12.3 Xác định lực tác dụng lên cống 148 12.4 Xác định nội lực cống ngầm 155 12.5 Tính toán cốt thép 159 12.6 Tính toán kiểm tra nứt 172 Error: Reference source not found9 PHỤ LUC TÍNH TOÁN .180 SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang Ngành Công trình PHẦN I: TÀI LIỆU CƠ BẢN CHƯƠNG : ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 1.1 Điều kiện tự nhiên 1.1.1 Vị trí địa lý Hồ chứa nước Hao Hao nằm suối Hao Hao thuộc vùng đồi núi xã Nguyên Bình huyện Tĩnh Gia - tỉnh Thanh Hoá, cách trung tâm huyện lỵ Tĩnh Gia 9km theo đường thẳng phía tây Vị trí xây dựng công trình nằm toạ độ địa lỹ: 19 o25’~19o29’ vĩ độ Bắc, 105o41’~105o~44’ kinh độ Đông Giới hạn hành chính: - Phía đông giáp xã Hải Lĩnh - Phía nam giáp xã Phúc Lâm - Phía Tây giáp xã Phú Sơn - Phía Bắc giáp xã Sơn Hùng Sơn 1.1.2 Đặc điểm địa hình địa mạo 1.1.2.1 Lòng hồ Lòng hồ thung lũng có chiều rộng bình quân (250~300)m, chiều dài (3000~3500)m, chạy theo hướng Nam - Bắc Lòng sông bao bọc dãy núi.Dãy núi phía Tây - Bắc cao độ cao 500m Dãy núi phía Đông – Nam sườn núi phía Tây – Nam cao độ cao 300m Eo Văn Liễn thấp cao độ +30.6m Xu địa hình lòng hồ dốc từ phía Tây – Nam phía Đông - Bắc Suối Hao Hao đổ sông Thị Long ngã ba Anh Sơn, Lưu vực hồ Hao Hao tính đếnvị trí đập: Flv=20Km2 - Chiều dài suối chính: L = 6,5Km - Tổng chiều dài nhánh suối lưu vực; L = 12,7Km - Chiều dài lưu vực: L = 6,5Km - Chiều rộng lưu vực: L = 3,0Km Rừng lưu vực chủ yếu rừng tái sinh trồng rừng theo chương trình 327 giao đất giao rừng cho hộ dân SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang Ngành Công trình Độ dốc bình quân lưu vực 30 ~ 40% Lòng hồ cao độ (+13,00~+18,00) mức nước đến cao độ (+28,00) diện tích ngập khoảng 120ha.Trong long hồ địa hình dốc phức tạp nên dân không trồng lúa mà trồng lấy gỗ bạch đàn… Hiện có đường kính 15~25cm độ phát triển Số lượng bị ngập UBND Huyện Tĩnh Gia thành lập hội đồng xác định đưa vào phần đền bù hoa lợi Suối có độ dốc i = 26,5% Chiều rộng suối bình quân 30m Tại vị trí đập độ dốc long suối i = 0,005 Chiều rộng long suối 25m Do địa hình lưu vực dốc suối mùa tháng tháng nước suối có chiều sâu 0,2 ~ 0,3m, mùa lũ theo vết lũ max mực nước vị trí đập nước sâu 12~13m 1.1.2.2 Tuyến đầu mối Đập đất vị trí tuyến phía khe gặp 100m hai đầu đập dãy núi có sườn thoải chạu dọc theo suối Hao Hao, đầu đập phía tả sườn núi thoải tương đối phẳng, cao độ (+30,00) có eo đổ hạ lưu bố trí tràn xả lũ đổ suối Hao Hao Lòng suối sát sườn núi phía hữu, cao độ long suối vị trí đập (+4,00) đầu đập phía hữu có sườn núi dốc địa hình phức tạp 1.1.2.3 Tuyến tràn xả lũ Tràn xả lũ bố trí đầu vai phải đập chạy dọc theo sườn dốc cao độ (+30,00)đổ thẳng hạ lưu suối Hao Hao cao độ (+4~4,5) chiều dài >70m 1.1.2.4 Tuyến cống đập Tưới cho khu tưới phía Bắc 110ha Vị trí cống đầu vai hữu đập, sườn núi tương đối dốc sát long suối Hao Hao 1.1.2.5 Đại hình khu tưới tuyến kênh Khu tưới có vùng: Vùng 1: Sau đập diện tích 110ha, khu tưới cách vị trí đập 750m đến giáp đường sắt Cao độ khu tưới cao (+12,0) thấp (+10,0) có xu dốc theo hướng Đông-Bắc (từ đập xuống) Tuyến kênh men theo sườn núi phía hữu từ đầu đập vào vùng tưới dài 2km, từ cao độ (+13,0) xuống cao độ (+10,0) SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang Ngành Công trình Vùng 2: khu tưới sau eo Văn Liễn diên tích 612ha Từ thượng lưu hồ Ao Quan xuống đến giáp xã Trúc Lâm chiều dài khu tưới L = 7,0Km chiều rộng khu tưới từ sườn núi thuộc địa phận xã Xuân Lâm xuống đến đường sắt, chỗ rộng 2,75Km nơi hẹp 500m Xu địa hình khu tưới dốc theo hướng Bắc-Nam(từ eo Văn Liễn xuống), cao độ nơi cao (+9,5~+12,0) nơi thấp (+5,5~+6,5) hầu hết cao độ (+5,0~+7,0) khu tưới có nhiều khe, suối tiêu nước chảy sông Bạng Tuyến kênh từ eo Văn Liễn theo sườn núi từ độ cao (+12,5~+7,0) chiều dài 7,0Km Những đoạn qua khe suối làm cầu máng dẫn tưới, để tiêu nước máng khu tưới thuận tiện đảm bảo ổn đinh cho kênh 1.2 Tình hình khí tượng thuỷ văn 1.2.1 Mạng lưới trạm thuỷ văn tài liệu tính toán Đặc điểm thuỷ văn lưu vực hồ Hao Hao vùng đồi núi gần biển, khí hậu có mùa rõ rệt, mùa mưa từ thang đến tháng 12, mùa khô từ tháng đến tháng năm sau Trong lưu vực tram thuỷ văn Do tính sử dụng trạm thuỷ văn lân cận trạm Tĩnh Gia, Yên Mỹ tham khảo tài liệu trạm Xuân ThượngThanh Hoá - Vị trí trạm thuỷ văn Tĩnh Gia cách trung tâm lưu vực 9Km phía Đông - Trạm Yên Mỹ cách trung tâm lưu vực 10Km phía Tây - Trạm Thanh Hoá cách trung tâm lưu vực 35Km phía Bắc - Trạm Xuân Thượng cách trung tâm lưu vực 35Km phía Tây Các trạm có liệt số thuỷ văn năm 1952~1980 27 năm Riêng trạm Xuân Thượng có 18 năm từ 1968~1985 (tài liệu dùng tính toán dự án hồ chứa Hao Hao năm 1989) Các tài liệu khí tượng thuỷ văn đài khí tượng thuỷ văn Thanh Hoá thông qua tổng cục khí tượng thuỷ văn phê chuẩn Do tài liệu có ít, em bổ sung thềm tài liệu đo mưa tram thuỷ văn Tĩnh Gia Yên Mỹ, từ năm 1980 đến năm 2000 20 năm đưa vào liệt tính toán thuỷ văn cho hồ Hao Hao 1.2.2 Các đặc trưng khí tượng thuỷ văn a Đặc trưng thuỷ văn lưu vực: Bảng 1-1: Đặc trưng thuỷ văn lưu vực SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang Ngành Công trình Đặc trưng Kí hiệu Đơn vị Chỉ số Diện tích lưu vực F Km2 20 Chiều dài sông L Km 8,5 Độ dốc lưu vực Jp % 11,05 Độ dốc lòng sông J % 4,49 -Dòng chảy năm: Bảng 1-2: Dòng chảy năm Đặc trưng Lưu vực tính đến đập tuyến I Flv = Xo(m) Mo(l/s/Km2) Yo(mm) Qo(m3/s) Wo.106(m3) 1809 26,36 831 0,527 16,2 Bảng 1-3: Dòng chảy năm tần suất 75% Đặc trưng Lưu vực tính đến đập tuyến I Flv = 20Km2 Q75%(m3/s) W75%(106m3) 0,372 11,6 Bảng 1-4: Phân phối dòng chảy năm 75% Tháng W 106m3 10 11 12 0.27 0.232 0.175 0.113 0.228 0.337 0.615 3.099 3.445 2.38 0.151 0.545 - Dòng chảy lũ: Bảng 1-5: Lưu lượng lũ lớn ứng với tần suất thiết kế Tần suất 0,2% 0,5% 1% 1,5% t(h) 10,5 10,5 10,5 10,5 Qmax(m3/s) 538 480 436 400 Wmax(106m3) 9,55 8,73 8,12 7,55 Bảng 1-6: Quá trình lũ ứng với tần suất thiết kế (P = 1%) Thời 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 gian SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT 5.00 Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang Ngành Công trình (h) Q 0.00 62.30 124.57 186.86 249.14 311.43 337.70 436.00 404.86 373.71 342.57 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 311.42 280.28 249.14 218.00 186.86 155.71 124.57 93.49 62.28 31.14 0.00 (m3/s) Thời gian (h) Q (m3/s) Bảng 1-6: Quá trình lũ ứng với tần suất kiểm tra (P = 0,2%) Thời gian 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 0.00 92.30 169.75 245.76 343.14 385.43 439.71 538.00 484.86 461.13 414.59 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 363.55 325.18 289.14 253.22 210.52 180.61 148.57 120.23 77.82 43.27 0.00 (h) Q (m3/s) Thời gian (h) Q (m3/s) - Bốc hơi: + Bốc lớn nhất: Zo = 1800mm + Bốc lưu vực: Zlv = 378mm + Lượng bốc mặt hồ: Z = Zo - Zlv=1422mm + Lượng bốc trung bình năm huyện Tĩnh Gia Zo = 898,5mm Bảng 1-8: Phân phối lượng bốc mặt nước theo tháng Tháng I II III IV V VI Bốc mm) 24.2 18 15.9 21.4 43.3 54.4 Tháng VII VIII IX X XI XII Bốc mm) 62.7 41.9 32.5 37.2 38.4 32 - Lượng bùn cát: + Lượng bùn cát lơ lửng theo tài liệu thuỷ văn lấy: Vll = 2992m3/năm + Bùn cát di đẩy lấy 30% lượng bùn cát lơ lửng: Vdđ = 898m3/năm SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang Ngành Công trình + Bùn cát sạt lở vách núi bờ sông lưu vực lấy 15% lượng bùn cát lơ lửng: Vsl = 449m3/năm + Tổng lượng bùn cát: Vbc= 4339m3/năm b Đặc trưng khí tượng lưu vực: - Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình tháng thấp tháng 1: từ 16 - 17 0C, tháng cao tháng 7: từ 19 - 290C Nhiệt độ cao 40oC Bốn tháng năm có nhiệt độ trung bình (20OC từ tháng 12 đến tháng năm sau) Bảng 1-9: Thống kê nhiệt độ trung bình tháng năm trạm Tĩnh Gia Tháng ToC 10 11 B/q năm 12 16.7 17.1 19.7 23.1 27.1 28.6 29.1 28 26.6 24.3 21 18.3 23.3 - Độ ẩm: + Độ ẩm bình quân từ 85% ÷87% + Độ ẩm bình quân tháng lớn nhất: 91% + Độ ẩm bình quân tháng thấp nhất: 81% Sự chênh lệch vùng độ ẩm tương đối so với độ ẩm tuyệt đối Bảng 1-10: Độ ẩm tương đối trung bình tháng năm trạm Tĩnh Gia Tháng 10 11 12 năm % 90 90 93 91 83 84 80 85 88 85 84 86 86 - Gió bão: Ứng theo mùa tốc độ gió lớn mùa bão 43m/s + Tốc độ gió bình quân lớn nhất: Vmax = 35m/s + Tốc độ gió lớn ứng với tần suất P = 2%, V2% = 43,7m/s + Tốc độ gió lớn ứng với tần suất P = 4%, V4% = 39m/s + Tốc độ gió lớn ứng với tần suất P = 5%, V5% = 37,2m/s + Tốc độ gió lớn ứng với tần suất P = 30%, V30% = 34,4m/s + Tốc độ gió lớn ứng với tần suất P = 50%, V50% = 32m/s SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang Ngành Công trình Bão ảnh hưởng tháng VI đến hết tháng XI, hầu hết trận bão đổ vào đất liền thường mang theo lượng mưa lớn (200 ÷250mm), kéo dài diên rộng -Mưa: Mùa mưa từ tháng V ÷ X mùa khô từ tháng XI ÷ IX năm sau.ư + Lượng mưa bìng quân nhiều năm: 1809mm + Lượng mưa năm lớn nhất: 2963mm + Lượng mưa năm nhỏ nhất: 945mm + Lượng mưa ứng với tần suất thiết kế 75% là: Xp = 1410mm Bảng 1-11: Lượng mưa trung bình trạm Tĩnh Gia Tháng X(mm) 39 10 11 12 năm 32 47 54 94 140 180 268 488 382 94 38 861 1.2.3 Đường đặc tính dung tích hồ: Bảng 1-12: Đường đặc tính lòng hồ Z (m) 4.5 7.5 13 15.7 19 22 22.6 24.4 26.5 28.4 30.2 32.6 34.4 SVTH: Nguyễn Ngọc Hải F (106 m2) 0.00 0.00 0.19 0.36 0.50 0.76 0.85 0.96 0.98 1.26 1.48 1.65 1.89 V (106m2) 0.00 0.00 0.70 1.29 2.73 3.48 4.48 6.68 7.07 9.20 11.80 13.60 15.30 Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 10 36.2 38 39.8 2.13 2.37 2.61 Ngành Công trình 17.00 18.70 20.40 Hình 1-1: Biểu đồ quan hệ: Z~V Hình 1-2: Biểu đồ quan hệ: Z~F 1.3 Tình Hình địa chất 1.3.1 Điều kiện địa chất hạng mục công trình SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 11 Ngành Công trình Địa chất vùng xây dựng công trình tương đối phức tạp Qua tài liệu khảo sát nghiên cứu ta có : 1.3.1.1 Lòng hồ : Vùng hồ bao bọc dãy núi cao 30 m, đáy hồ phủ lớp pha tàn tích sét dày 1,0 ÷ 10 m, hệ số thấm nhỏ (10-5 ÷ 10-6cm/s) ngăn giữ nước Chỉ có hỗn hợp cát + cuội sỏi dày 3,8 ÷ m thấm mạnh, cần xử lý 1.3.1.2 Tuyến đập : Có hai loại địa hình : loại tích tụ phân bố khe suối, rộng trung bình 20 – 30 m Địa hình xâm thực hai vai đập tương đối dốc : 300 ÷ 400 - Lớp bồi tích lòng suối rộng 54 m, dày 3,8 – 4,0 m hỗn hợp cát, cuội, sỏi Cát sỏi thành phần fenspat, thạch anh, gặp cuội đá riolít cứng - Lớp pha tàn tích sét mầu nâu gụ lẫn 15 ÷ 20% sỏi sạn, vụn đá : kết cấu chặt đến chặt vừa, dẻo mềm, bờ trái lên cao dày (2,7 ÷ 5,2 m) - Lớp pha tàn tích sét nâu vàng lẫn sỏi sạn phân bố vai trái, lớp chặt vừa, dẻo mềm đến cứng, chiều dày 3,3 ÷ 5,8 m - Lớp pha tàn tích dăm sạn lẫn màu nâu xám vai phải dày ÷1,5 m Các lớp pha tàn tích có : C = 0,22 ÷ 0,33 kg/cm2 ϕ = 11040 ÷ 15045 K = (7,64 ÷ 9,36).10-6 cm/s - Lớp đá phong hoá mạnh, yếu đến vừa : đá riolit màu xám, xám nâu 1.3.1.3 Tuyến cống tràn : Tuyến tràn tuyến cống vai đập, móng đặt lên lớp pha tàn tích đá riôlít phong hoá mạnh 1.4 Tình hình vật liệu xây dựng 1.4.1 Vật liệu đất đắp đập Vật liệu đất đắp đậo khảo sát mỏ, mỏ thượng lưu đập (trong lòng hồ) cách đập 600~1200m mỏ hạ lưu đập 400~600m vị trí mỏ khoanh bình đồ vùng tuyến đập SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 162 Ngành Công trình Mặt cắt qua điểm nút (5) trần cống có : M5 = 1,99 (T.m) ; Q5 = (T) ; N5 = - 32,42 (T) + Với thành bên : chọn mặt cắt qua điểm nút (1) (trên) mặt cắt có giá trị mô men căng lớn để tính toán bố trí cốt thép phía thành bên Chọn mặt cắt qua điểm nút (6) mặt cắt có giá trị mô men căng lớn để tính toán bố trí cốt thép phía cho thành bên cống Mặt cắt qua điểm nút (1) (trên) thành bên có : M1 = 12,18 (T.m) ; Q1 = 34,16 (T) ; N1 = - 34,01 (T) Mặt cắt qua điểm nút (6) thành bên có : M6 = -9,06 (T.m) ; Q6 = -0,42 (T) ; N6 = - 32,72 (T) + Với đáy cống : chọn mặt qua điểm nút (2) (trái) mặt cắt có giá trị mô men căng lớn để tính toán bố trí cốt thép phía cho đáy cống Chọn mặt cắt qua điểm nút (8) mặt cắt có mô men căng lớn để tính toán bố trí cốt thép phía đáy cống Mặt cắt qua điểm nút (2) (trái) đáy cống có : M2 = 12,18 (T.m) ; Q2 = - 30,95 (T) ; N2 = - 34,16 (T) Mặt cắt qua điểm nút (8) đáy cống có : M8 = -1,75 (T.m) ; Q8 = (T) ; N4 = - 34,16 (T) 12.5.3 Tính toán cốt thép dọc chịu lực : 12.5.3.1 Tính toán bố trí cốt thép cho trần cống : 12.5.3.1.1 Mặt cắt qua điểm nút (4) (phải) trần cống : M4 = - 12,15 (T.m) ; Q4 = - 31,44 (T) ; N4 = - 32,42 (T) Tiết diện tính toán hình chữ nhật có kích thước b x h = 100 x 40 (cm) Dựa vào kết tính toán nội lực ta thấy cấu kiện chịu nén lệch tâm Trình tự tính toán cốt thép cho mặt cắt sau : - Xét uốn dọc : + l o 0,5.B 0,5.1,8 = = = 2,25 < 10 nên ảnh hưởng uốn dọc với cấu kiện h h 0,4 không đáng kể, ta lấy η = + Độ lệch tâm e0 : e0 = SVTH: Nguyễn Ngọc Hải M 12,15 = = 0,375 = 37,5 (cm) N 32,42 (11-7) Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 163 Ngành Công trình Ta thấy η.e0 = 37,5 > 0,3.h0 = 10,05 (cm) nên cấu kiện cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn - Tính toán cốt thép : + Sơ đồ ứng suất : η.eo Hình 12-11 : Sơ đồ ứng suất cấu kiện chịu nén lệch tâm Trong : e = η.e0 + 0,5.h - a = 51 (cm) : khoảng cách từ điểm đặt lực dọc N đến trọng tâm cốt thép chịu nén Fa e' = η.e0 - 0,5.h + a' = 24 (cm) : khoảng cách từ điểm đặt lực nén dọc N đến trung tâm cốt thép Fa' x : chiều cao vùng nén cấu kiện + Công thức (các phương trình bản) : kn.nc.N ≤ mb.Rn.b.x + ma.Ra'.Fa' - ma.Ra.Fa kn.nc.N.e ≤ mb.Rn.b.x.( h0 - x ) + ma.Ra'.Fa'.( h0- a' ) (12-8) (12-9) + Đây toán xác định F a Fa' biết điều kiện b, h, M, N, cấu kiện Chọn x = αo.h0 (α = αo , A = A0) thay vào phương trình (11-9) ta : k n n c N.e − m b R n b.h 02 A o Fa' = m a R 'a (h o − a' ) => 1,15.1.32420.51 − 1.90.100.33,5 2.0,42 Fa' = = - 29,2 (cm2) 1,1.2700.(33,5 − 6,5) SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 164 Ngành Công trình Vì Fa' < nên ta chọn Fa' theo điều kiện sau : (1) Điều kiện hàm lượng cốt thép Fa' = µmin.b.h0 = 0,0005.100.33,5 = 1,675 (cm2) (2) Điều kiện cấu tạo : Fa' = φ12 = 5,65 cm2 Vậy ta chọn Fa' = 5φ12 + Bây toán trở thành toán xác định F a biết Fa' điều kiện khác Đặt A = α.( 1- 0,5.α ), từ phương trình (11-9) ta có : k n n c N.e − m a R 'a Fa' (h o − a' ) A= = 0,143 m b R n b.h 02 (12-10) Có A ta tính α = 1- − 2.A = 0,155 2.a' 13 = = 0,388 ho 33,5 2.a' + Ta thấy α < h chứng tỏ Fa' đạt σa' < Ra' Nên ta lấy x = 2.a' tính F a theo o công thức : Fa = k n n c N.e' 1,15.1.32420.24 = = 11,16 ( cm2 ) m a R a (h o − a' ) 1,1.2700.(33,5 − 6,5) Fa > µmin.b.h0 = 1,675 cm2 : thoả mãn yêu cầu đặt 12.5.3.1.2 Mặt cắt qua điểm nút (5) trần cống : M5 = 1,99 (T.m) ; Q5 = (T) ; N5 = - 32,42 (T) + Tiến hành tính toán tương tự mặt cắt qua điểm nút (4) ta có : e0 = M 1,99 = = 0,0614 = 6,14 (cm) N 32,42 Ta thấy η.e0 = 6,14 < 0,3.h0 = 10,05 (cm) nên cấu kiện cấu kiện chịu nén lệch tâm bé h η.e0 = 6,14 < 0,2.h0 = 6,7 (cm) → x = h - (1,8 + 2h − 1,4α )η e (12-11) = 40 - (1,8 + 40 − 1,4.0,6).6,14 = 30,44 (cm) 2.33,5 x = 30,44 cm < h0 = 33,5 cm e = η.e0 + 0,5.h – a = 6,14 + 0,5.40 – 6,5 = 19,64 (cm) SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 165 Ngành Công trình e’ = 0,5h - ηe0 – a’ = 0,5.40 – 6,14 – 6,5 = 7,36 (cm)  ηe  6,14 σ a = 1 − R a = (1 − ).2700 = 2205,13 (daN/cm2) h0  33,5  Fa' = = (12-12) k n n c N.e − m b R n b.x.(h − x/2) m a R 'a (h o − a' ) 1,15.1.32420.19,64 − 1.90.100.30,44.(33,5 − 30,44/2) = - 53,32 (cm2) 1,1.2700.(33,5 − 6,5) + Ta chọn Fa' = 5φ12 = 5,65 (cm2) theo điều kiện cấu tạo + Bây toán trở thành toán xác định F a biết Fa' điều kiện khác k n n c N.e − m a R 'a Fa' (h o − a' ) A= = 0,028 m b R n b.h 02 Có A ta tính α = 1- − 2.A = 0,0284 2.a' 13 = = 0,388 ho 33,5 2.a' + Ta thấy α < h chứng tỏ Fa' đạt σa' < Ra' Nên ta lấy x = 2.a' tính F a theo o công thức : Fa = k n n c N.e' 1,15.1.32420.7,36 = = 4,19 ( cm2 ) m a σ a (h o − a' ) 1,1.2205,13.(33,5 − 6,5) Fa > µmin.b.h0 = 1,675 cm2 : thoả mãn yêu cầu đặt * Căn vào kết tính toán cốt thép hai mặt cắt ta chọn bố trí cốt thép cho trần cống sau : Cốt thép phía cống Fngoài = max( 11,16 ; 5,65 ) => Fngoài = 11,16 (cm2) Cốt thép phía cống Ftrong = max( 5,65 ; 4,19 ) => Ftrong = 5,65 (cm2) Ta tiến hành bố trí cốt thép cho trần cống sau : + Cốt thép phía cống : Fngoài = φ16 = 12,06 (cm2), a = 16,67 (cm) + Cốt thép phía cống : Ftrong = φ12 = 5,65 (cm2), a = 20 (cm) 12.5.3.2 Tính toán bố trí cốt thép cho thành bên cống : 12.5.3.2.1 Mặt cắt qua điểm nút (1) (trên) thành bên cống : SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 166 Ngành Công trình M1 = 12,18 (T.m) ; Q1 = 34,16 (T) ; N1 = - 34,01 (T) Tiến hành tính toán tương tự mặt cắt tính ta kết sau : + l0 = 0,5.H = 0,5.2,55 = 1,275 (m) + l 1,275 = = 3,1875 < 10 → η = h 0,4 + e0 = 35,81 (cm) + ηe0 = 35,81 > 0,3.h0 = 10,05 → nén lệch tâm lớn + e = 49,31 (cm) + e' = 22,31 (cm) + Fa' = - 28,85 (cm2) => chọn Fa' = φ12 = 5,65 (cm2) + A = 0,1461 => α = 0,1587 + Fa = 10,88 (cm2) 12.5.3.2.2 Mặt cắt qua điểm nút (6) thành bên cống : M6 = - 9,06 (T.m) ; Q6 = - 0,42 (T) ; N6 = - 32,72 (T) Tiến hành tính toán tương tự mặt cắt ta kết sau : + e0 = 27,69 (cm) + ηe0 = 27,69 cm > 0,3.h0 = 10,05 cm → nén lệch tâm lớn + e = 41,19 (cm) + e' = 14,19 (cm) + Fa' = - 33,57 (cm2) => chọn Fa' = φ12 = 5,65 (cm2) + A = 0,1086 => α = 0,1152 + Fa = 6,66 (cm2) * Căn vào kết tính toán cốt thép hai mặt cắt ta chọn bố trí cốt thép cho thành bên cống sau : Cốt thép phía cống Fngoài = max( 5,65 ; 10,88 ) => Fngoài = 10,88 (cm2) Cốt thép phía cống Ftrong = max( 6,66 ; 5,65 ) => Ftrong = 6,66 (cm2) Ta tiến hành bố trí cốt thép cho thành bên cống sau : + Cốt thép phía cống : Fngoài = φ16 = 12,06 (cm2), a = 16,67 (cm) SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 167 Ngành Công trình + Cốt thép phía cống : Ftrong = φ12 = 6,79 (cm ), a = 16,67 (cm) 12.5.3.3 Tính toán bố trí cốt thép cho đáy cống : 12.5.3.3.1 Mặt cắt qua điểm nút (2) (trái) đáy cống : M2 = 12,18 (T.m) ; Q2 = - 30,95 (T) ; N2 = - 34,16 (T) Tiến hành tính toán tương tự mặt cắt ta kết sau: + l0 = 0,5.B = 0,5.1,8 = 0,9 (m) + l 0,9 = = 2,25 < 10 → η = h 0,4 + e0 = 35,66 (cm) + ηe0 = 35,66 > 0,3.h0 = 10,05 → nén lệch tâm lớn + e = 49,16 (cm) + e' = 22,16 (cm) + Fa' = - 28,82 (cm2) => chọn Fa' = φ12 = 5,65 (cm2) => α = 0,1589 + A = 0,1463 + Fa = 10,86 (cm2) 12.5.3.3.2 Mặt cắt qua điểm nút (8) đáy cống : M8 = -1,75 (T.m) ; Q8 = (T) ; N4 = - 34,16 (T) Tiến hành tính toán tương tự mặt cắt ta kết sau : + e0 = 5,12 (cm) + ηe0 = 5,12 < 0,3.h0 = 10,05 → nén lệch tâm bé + x = 32,03 (cm) < h0 = 33,5 (cm) + e = 18,62 (cm) + e' = 8,38 (cm)  ηe  5,12 R a = (1 − ).2700 = 2287,34 (daN/cm2) + σ a = 1 − h0  33,5  + Fa' = k n n c N.e − m b R n b.x.(h − x/2) m a R 'a (h o − a' ) = 1,15.1.34160.18,62 − 1.90.100.32,03.(33,5 − 32,03/2) = - 53,73 (cm2) 1,1.2700.(33,5 − 6,5) => chọn Fa' = φ12 = 5,65 (cm2) + A = 0,0276 => α = 0,028 SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 168 Ngành Công trình + Fa = 4,85 (cm ) * Căn vào kết tính toán cốt thép hai mặt cắt ta chọn bố trí cốt thép cho đáy cống sau : Cốt thép phía cống Fngoài = max( 10,86 ; 5,65 ) => Fngoài = 10,86 (cm2) Cốt thép phía cống Ftrong = max( 5,65; 4,85 ) => Ftrong = 5,65 (cm2) Ta tiến hành bố trí cốt thép cho đáy cống sau : + Cốt thép phía cống : Fngoài = φ16 = 12,06 (cm2), a = 16,67 (cm) + Cốt thép phía cống: Ftrong = φ12 = 5,65 (cm2), a = 20 (cm) Như ta có kết tính toán cốt thép dọc chịu lực cống ngầm sau : Bảng 12-10 : Kết tính toán cốt thép dọc chịu lực cống ngầm Cấu kiện Cốt thép phía cống Diện Khoảng tích Loại cách (cm2) thép (cm) φ12 Trần cống 5,65 20 φ12 Thành bên 6,79 16,67 φ12 Đáy cống 5,65 20 12.5.4 Tính toán cốt thép ngang (cốt đai, cốt xiên) : Cốt thép phía cống Diện Khoảng tích Loại cách (cm2) thép (cm) φ16 12,06 16,67 φ16 12,06 16,67 φ16 12,06 16,67 Tính toán cường độ mặt cắt nghiêng cấu kiện tiến hành theo phương pháp đàn hồi phương pháp trạng thái giới hạn Ở ta dùng phương pháp trạng thái giới hạn để tính toán 12.5.4.1 Điều kiện tính toán : Khi thoả mãn điều kiện sau cần phải tính toán cốt xiên, cốt đai cho cấu kiện : 0,6.mb4.Rk < σ1 = τ0 = k n n c Q ≤ mb3.Rkc 0,9.b.h o (11-13) Trong : • Q : lực cắt lớn tải trọng tính toán gây (kg) • Rkc : cường độ chịu kéo tiêu chuẩn bê tông, Rkc = 11,5 (kg/cm2) • Rk : cường độ chịu kéo bê tông, Rk = 7,5 (kg/cm2) • mb3 : hệ số điều kiện làm việc bê tông kết cấu bê tông cốt thép Tra bảng (trang 16) TCVN 4116 - 85 ta mb3 = 1,15 SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 169 Ngành Công trình • mb4 : hệ số điều kiện làm việc kết cấu bê tông không cốt thép Tra bảng TCVN 4116 – 85 ta mb4 = 0,9 • τ0: ứng suất tiếp lớn mặt cắt tính toán (kg/cm2) • kn : hệ số tin cậy, phụ thuộc cấp công trình, kn = 1,15 • nc : hệ số tổ hợp tải trọng, nc = 12.5.4.2 Mặt cắt tính toán : Trên cấu kiện ta cần chọn vị trí có lực cắt lớn để tính toán bố trí cốt thép ngang cho cống Do ta cần tính toán cho mặt cắt sau : - Với đáy cống : tính toán cho mặt cắt qua điểm nút (2) (trái) đáy cống có: M2 = 12,18 (T.m) ; Q2 = - 30,95 (T) ; N2 = - 34,16 (T) - Với thành bên cống : tính toán cho mặt cắt qua điểm nút (1) (trên) điểm nút (4) (dưới) trành bên có : M1 = 12,18 (T.m) ; Q1 = 34,16 (T) ; NB = - 34,01 (T) M4 = 12,15 (T.m) ; Q4 = - 32,42 (T) ; NC = - 31,44 (T) - Với trần cống : tính toán cho mặt cắt qua điểm nút (3) (trái) trần cống có : M3 = - 12,15 (T.m) ; Q3 = 31,44 (T) ; N3 = - 32,42 (T) 12.5.4.3 Tính toán cốt thép ngang cho đáy cống : Với cốt thép ngang cống ta thường bố trí cốt thép xiên nên tính toán cốt thép ngang cho cống ta tính toán bố trí cốt thép xiên cho cống (không tính toán bố trí cốt thép ngang cho cống) Thay số ứng với giá trị nội lực mặt cắt qua điểm nút (2) (trái) đáy cống vào công thức 11-13 ta : 0,6.mb4.Rk = 0,6.0,9.7,5 = 4,05 (kg/cm2) τ0 = k n n c Q 1,15.1.30950 = = 11,81 (kg/cm2) 0,9.b.h o 0,9.100.33,5 mb3.Rkc = 1,15.11,5 = 13,225 (kg/cm2) Như ta thấy 0,6.mb4.Rk < σ1 = τ0 = (12-14) (12-15) (12-16) k n n c Q ≤ mb3.Rkc nên ta phải tính toán 0,9.b.h o bố trí cốt thép xiên cho cống 12.5.4.3.1 Sơ đồ tính toán : Sơ đồ tính toán thể hình vẽ Trong : SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 170 Ngành Công trình • σ1a: ứng suất kéo cốt dọc chịu • σ1x : ứng suất kéo cốt xiên phải chịu • σ1= τ0 : ứng suất kéo cốt xiên cốt dọc phải chịu x 30,95 T 30,95 T σ1x σ1 = τ0 0,6.mb4.Rk σ1a 180 cm 90 cm Hình 12-12 : Biểu đồ lực cắt Phân bố ứng suất kéo 12.5.4.3.2 Tính toán cốt xiên cho đáy cống : - Do biểu đồ ứng suất kéo có dạng tam giác nên ứng suất cốt dọc chịu tính theo công thức : σ1a = 0,225 σ1 = 0,225.11,81 = 2,66 (kg/cm2) - (11-17) Ứng suất kéo cốt xiên phải chịu : σ1x = σ1 - σ1a = 11,81 - 2,66 = 9,15 (kg/cm2) x 11,81 − 4,05 = => x = 59,14 (cm) 90 11,81 (11-18) (11-19) - Đặt cốt xiên nghiêng với trục cấu kiện góc 45 o, diện tích cốt xiên tính theo công thức : Fx = Ω X b m a R ax = 0,5.59,14.9,15.100 1,1.2700 = 6,44 (cm2) (11-20) 12.5.4.3.3 Chọn bố trí cốt thép : Với Fx = 6,44 (cm2) ta chọn φ12 có F = 6,79 (cm2) để bố trí cốt xiên cho cống Ta bố trí cốt xiên thành lớp Vị trí cốt xiên xác định sau : SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 171 Ngành Công trình + Xác định trọng tâm phần diện tích thép xiên ΩX + Từ trọng tâm của phần diện tích thép xiên dóng lên trục dầm σ1 = τ0 σ1x 0,6.mb4.Rk σ1a ta xác định vị trí lớp thép xiên Hình 12-13 Sơ đồ xác định vị trí thép xiên + Gọi khoảng cánh từ mép trục cấu kiện tới vị trí thép xiên x1 : x1 ≈ x = 19,71 (cm) (11-21) 12.5.4.4 Tính toán cốt thép ngang cho trần cống thành bên cống : Tính toán tương tự cho đáy cống ta kết sau : 12.5.4.4.1 Với trần cống (mặt cắt qua điểm nút 3) : τ0 = 11,99 (kg/cm2) σ1a = 2,70 (kg/cm2) σ1x = 9,29 (kg/cm2) x = 59,60 (cm) x1 = 19,87 (cm) Fx = 6,6 (cm2) 12.5.4.4.2 Với thành bên cống : - Mặt cắt qua điểm nút (1) (trên) : τ0 = 13,03 (kg/cm2) σ1a = 2,93 (kg/cm2) σ1x = 10,10 (kg/cm2) x = 62,03 (cm) x1 = 20,68 (cm) Fx = 7,46 (cm2) - Mặt cắt qua điểm nút (4) (dưới) : τ0 = 12,37 (kg/cm2) SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 172 Ngành Công trình σ1a = 2,78 (kg/cm ) σ1x = 9,59 (kg/cm2) x = 60,53 (cm) x1 = 20,18 (cm) Fx = 6,91 (cm2) Để thuận tiện cho việc bố trí thép xiên cho cống mặt cắt ta chọn mặt cắt có diện tích thép xiên lớn để bố trí cho mặt cắt Do ta chọn diện tích thép xiên Fx = 5φ14 = 7,69 (cm2) Vị trí khoảng cách thép xiên vị trí sau : Bảng 12-11: Diện tích vị trí thép xiên Cấu kiện Loại thép x1 (cm) Trần cống Thành bên Đáy cống φ 14 φ 14 φ 14 19,87 20,68 19,71 Khoảng cách (cm) 20 20 20 12.6 Tính toán kiểm tra nứt 12.6.1 Mặt cắt tímh toán : Ta dùng tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn để tính toán kiểm tra nứt cho kết cấu, chọn mặt cắt có mô men lớn (ứng với tải trọng tiêu chuẩn) để tính toán kiểm tra nứt cho kết cấu, mặt cắt qua điểm nút (1) (trên) thành bên cống có giá trị nội lực ứng với tải trọng tiêu chuẩn sau : M1 = 11,39 (T.m) ; Q1 = 30,79 (T) ; N1 = -31,76 (T) 12.6.2 Tính toán kiểm tra nứt : 12.6.2.1 Xác định đặc trưng qui đổi : - Chiều cao vùng nén : xn = Sqd Fqd (12-22) Trong đó: + Sqđ: mô men tĩnh qui đổi tiết diện Sqđ = 0,5.b.h2 + n.(a'.Fa' + Fa.h0) (12-23) + Fqđ: diện tích qui đổi tiết diện Fqđ = Fb + n.(Fa + Fa') SVTH: Nguyễn Ngọc Hải (12-24) Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 173 Ngành Công trình - Mô men quán tính qui đổi tiết diện : Jqđ = b (x n + (h − x n ) ) + n.Fa' (x n − a' ) + n.Fa (h o − x n ) (12-25) - Mô đun chống uốn tiết diện : Wqđ = J qd h − xn (11-26) Hình 12-13 : Sơ đồ tính toán giá trị quy đổi Trong đó: b = 100 (cm) ; h = 40 (cm) ; a = a' = 6,5 (cm) ; h0 = 33,5 (cm) ; Fa = 12,06 (cm2) ; Fa' = 6,79 (cm2) ; n = E a 2100 = = 8,75 Eb 240 - Thay số vào công thức ta : + Fqđ = 100.40 + 8,75.(12,06 + 6,79) = 4164,94 (cm2) + Sqđ = 0,5.100.402 + 8,75.(6,5.6,79 + 12,06.33,5) = 83921,27 (cm2) + xn = 20,15 (cm) + Jqđ = 100 (20,153 + (40 − 20,15) ) + 8,75.6,79.(20,15 − 6,5) + + 8,75.12,06.(33,5 − 20,15) = 563300,15 (cm4) + Wqđ = 563300,15 = 28377,84 (cm3) 40 − 20,15 12.6.2.2 Khả chống nứt tiết diện : Với cấu kiện chịu nén lệch tâm khả chống nứt tiết diện xác định theo công thức : γ R ck Nn = e o − Wqd (12-27) Fqd Trong : SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 174 Ngành Công trình + Nn lực nén dọc lệch tâm mà tiết diện chịu trước khe nứt thẳng góc xuất + γ1 = γ.mh = 1.1,75 = 1,75 hệ số xét đến biến dạng dẻo bê tông miền kéo + mh hệ số tra phụ lục 13 giáo trình '' Kết cấu bê tông cốt thép '' ta mh = + γ hệ số tra phụ lục 14 giáo trình '' Kết cấu bê tông cốt thép '' ta γ = 1,75 + Độ lệch tâm lực nén dọc tiêu chuẩn : e0 = M C 1139000 = = 35,86 (cm) 31760 NC + Rkc = 11,5 (kg/ cm2) Thay số vào công thức ta : 1,75.11,5 = 19661,72 Nn = 35,86 − (kg) 28377,84 4164,94 12.6.2.3 Kiểm tra nứt : Điều kiện không xuất khe nứt thẳng góc : nc.Nc < Nn (12-28) Ta thấy nc.Nc = 31760 (kg) > Nn nên cấu kiện (thành cống) bị nứt theo phương dọc cống Ta cần xác định bề rộng khe nứt xem có thoả mãn điều kiện cho phép không (a n ≤ an gh ) Nếu bề rộng khe nứt không thoả mãn điều kiện kết cấu bị ổn định trình làm việc nứt gây 11.6.2.4 Tính bề rộng khe nứt : - Bề rộng khe nứt xác định theo công thức kinh nghiệm : an = k.c.η σa − σo 7.(4 − 100 µ) d Ea (12-29) Trong : + k : hệ số phụ thuộc trạng thái tình trạng tác dụng tải trọng, với cấu kiện chịu nén lệch tâm k = + c : hệ số xét đến tính chất tác dụng tải trọng, với tải trọng dài hạn c = 1,3 + η: hệ số xét đến tính chất bề mặt cốt thép, với thép có gờ η = + µ = Fa /(b.h0) = 12,06/(100.33,5) = 3,6.10-3 < 2% : thoả mãn yêu cầu + σo : ứng suất kéo ban đầu cốt thép trương nở bê tông, với kết cấu ngâm nước σo = 200 ( kg/ cm2 ) SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 175 Ngành Công trình + σa : ứng suất cốt thép : Với cấu kiện chịu nén lệch tâm : σa = N C (e − Z1 ) Fa Z1 (12-30) • e : khoảng cách từ lực dọc lệch tâm đến trọng tâm cốt thép dọc chịu kéo Fa , e = η.e0 + 0,5.h - a = 1.35,86 + 0,5.40 – 6,5 = 49,36 (cm) • Fa : diện tích cốt thép dọc chịu kéo, Fa = 12,06 (cm2) • Z1 : khoảng cách từ tâm cốt thép dọc chịu kéo đến điểm đặt hợp lực miền nén tiết diện có khe nứt Z xác định theo công thức kinh nghiệm : Z1 = η.h0 (11-31) Với η hệ số phụ thuộc vào hàm lượng cốt thép chịu kéo, tra bảng 5-1 (trang 70) giáo trình '' Kết cấu bê tông cốt thép '' ta η = 0,85 => Z1 = 0,85.33,5 = 28,475 (cm) => σa = 31760.( 49,36 − 28,475) = 1931,54 (kg/cm2) 12,06.28,475 Thay số vào công thức ta : an = 1.1,3.1 1931,54 − 200 7.(4 − 100.3,6.10 −3 ) 16 = 0,11 (mm) 2,1.10 - Bề rộng khe nứt cho phép an gh : Tra bảng 18 (trang 52) TCVN 4116 - 85 ta bề rộng khe nứt giới hạn : an gh = 0,25.1,6 = 0,4 (mm) Vậy an < an gh nên kết cấu đảm bảo điều kiện ổn định trình làm việc khe nứt xuất SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 176 Ngành Công trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình Thuỷ Công - Tập 1, Tập Trường Đại Học Thuỷ Lợi Thiết Kế Đập Đất - Nguyễn Xuân Trường Công trình tháo lũ đầu mối hệ thống công trình thuỷ lợi - Các tác giả Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Xuân Đặng, Ngô Trí Viềng Giáo trình Thuỷ lực - Tập 1, Tập Giáo trình Kết cấu Bê Tông Cốt Thép - Các tác giả Trần Mạnh Tuân, Nguyễn Hữu Thành, Nguyễn Hữu Lân, Nguyễn Hoàng Hà Thiết Kế Cống - Các tác giả Trịnh Bốn, Lê Hoà Xướng Nối tiếp tiêu hạ lưu công trình tháo nước - Phạm Ngọc Quý Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4253 - 86 Tiêu chuẩn TCXDVN 285 - 2002 10 Tiêu chuẩn TCVN 4118 - 85 11 Quy phạm tải trọng lực tác dụng lên công trình thuỷ lợi QP.TL C-1-78 12 Quy phạm tính toán thuỷ lực đập tràn QP.TL C- 8-76 13 Quy phạm tính toán thuỷ lực cống sâu QP.TL C- 1-75 14 Quy phạm thiết kế đập đất đầm nén QPVN 11-77 15 Sổ tay tính toán thuỷ lực - Trường Đại học Thuỷ Lợi 16 Ví dụ tính toán tràn máng phun - Bộ Thuỷ Lợi 17 Đồ án môn học Thuỷ Công - Trường Đại học Thuỷ Lợi 18 Các bảng tính thủy lực SVTH: Nguyễn Ngọc Hải Lớp: 47LT